基于和风电能源的农业大棚监控系统设计

为了提高新疆农业发展水平，采用集约化农业生产并引进信息化技术装备形成具有地方特色的设施农业，实现农作物生长环境的最优控制和提高水土资源的利用效率。新疆农业状况的特点是中小型大棚数量多、农业生产者科技水平较为薄弱、大棚地域偏僻分散且基础电力、通信设施缺乏。新疆位于祖国西北地区，地广人稀平原多，日照时间长温差大，典型的戈壁滩平原地貌特征，风多风大，风力资源位于全国第二。针对新疆地理特点，融合物联网的智能农业思想，设计了一款基于GPRS和风电能源的农业大棚监控系统。该系统为分布式系统结构设计，利用小型风电机提供经济的清洁能源，无需建设电力通信设施，采用GPRS网络实现低成本的无线远程监控，用户通过非现场监控终端和微计算机实现对农业大棚农作物生长环境的自动监测，自动控制加温

器、保湿幕布、通窗、补光灯等环境调控设备实现环境参数的智能调节。通过提供地方特色化、低成本的农业联网技术的行业解决方案，实现精准农业的生产，促进新疆农业的信息化转型升级[1]。笔者在此对该程序的总体设计、工作原理、硬件部分和软件程序设计等方面进行了详细概述。

1 系统的总体设计与工作原理

1.1 系统总体设计 系统的总体设计逻辑上分为上位机、GPRS网络模块、主机、485总线网和从机节点等五大部分，系统总体设计框架如图1所示。为了保证系统工作可靠性和适用性，硬件设计上将GPRS模块(SIM900A)分别集成在上位机和主机上，将多个485总线模块(SP3485E)分别集成在主机和从机节点上，物理上将系统硬件分为上位机、主机、从机三大部分，确保系统的工作稳定性。

图1 系统总体设计框架

1.2 系统工作原理 系统上位机监控软件通过GPRS网络平台实现对主机的远程无线监控。主机节点作为控制核心完成三部分功能，通过GPRS网络建立与上位机监控终端的通信连接，传递环境参数和控制命令；通过继电器阵列控制各大棚的环境调节设备，如控温系统、水泵湿幕、补光灯和风机通窗等环境调节设备；通过485总线型局域网连接各大棚各从机节点，广播从机节点的环境检测命令、接收唯一响应的从机地址和环境参数。各从机节点通过485总线网，采用标准的Modbus协议与主机通信，接收对应的测试命令后启动参数检测功能，并上传从机地址和农业参数。

2 系统硬件部分

图2 SIM900A与RS232接口电路

2.1 上位机部分 系统的上位机部分由监控工作站和GPRS网络模块(SIM900A)组成，工作站安装监控软件和SQL Server数据库。工作站的串行异步收发接口RS232的RXD和TXD端分别与GPRS模块RS232的TXD_O和RXD_I连接，传输速率均设为9 600 bps，通过GPRS网络与大棚主机远程通信，传输农业参数和控制命令，接口电路如图2所示。GPRS模块内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，其数据传输速率最高可达上行42 800 bps、下行85 600 bps，符合系统监控数据传输要求，且让后期的扩展改造和网络升级留有极大的余地[2]。图2中GPRS模块以移动GPRS 网络和 Internet 网络为载体，上位机和大棚主机采用对等连接(P2P)方式，通过 AT 指令配置GPRS 模块网络接入点(APN)及属性，通过 PPP 协议与GGSN(GPRS网关支持节点)之间进行链路协商，获取 IP 地址接入运营商网络，建立上位机数据中心与主机之间的 TCP连接，实现检测数据的远程传输。GPRS网络是一种分组交换的移动数据网络，不同于一般的电路交换和存储转发的通信方式，它采用数据封包的传输方式并间歇性占用带宽资源，具有“永远在线”的特点但无需频繁连接，统计数据流量包的方式进行计费，通信资费极为经济，非常适用于农业大棚监控间隙产生的突发性数据流量[3] 主机部分 系统的主机部分包括GPRS模块(SIM900A)、主控器、485总线(SP3485E)、执行结构和风能电力系统等五大模块组成。主控器以MSP430F149最小系统为控制核心。该最小系统电路采用Altium Designer设计，电路接口使用NET来标示，模块接口划分清晰(图3)。MSP430F1X系列微计算机是TI公司推出的超低功耗Flash控制器[4]，主要特点是：①快速响应处理能力。采用16位精简指令集结构(RISC)，150 ns指令周期，睡眠模式下中断唤醒时间≤6 μs。②片内资源丰富，控制简便。采用冯·诺依曼体系结构，全部模块均位于同一地址空间，成员均为软件控制，2个16位计时器Timer_A/B和2个RS232串口(UART_0/1)能满足主机与GPRS模块和从机节点的时钟和数据传送同步。③工作能耗业界最低。系统处于低功耗睡眠模式(LPM)时电流≤0.7 μA，中断唤醒仅需6.0 μs，活动模式(AM)下工作电流≤3.0 μA，具有体积小、低功耗、快速响应、成本低廉的特点，易于集成在智能仪器仪表中。

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